Spektrale Optimierung von kD-Abtastpunkten für Integranden im Echtzeit-Path Tracing

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Carsten Dachsbacher
• Fachliche Zuordnung: Bild- und Sprachverarbeitung, Computergraphik und Visualisierung, Human Computer Interaction, Ubiquitous und Wearable Computing
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 462649663

Monte Carlo-Raytracing-Verfahren, z.B. Path Tracing, sind seit einigen Jahren Standard in der Offline-Bildsynthese und die Zukunft der Echtzeitbildsynthese. Aufgrund begrenzter Rechenzeit pro Bild in diesem Anwendungsfall, werden jedoch robuste und effiziente Bildsynthesealgorithmen benötigt, die bereits mit einem oder wenigen berechneten Lichttransportpfaden pro Pixel Bilder mit niedriger Varianz und hoher temporaler Stabilität erzeugen können. Der wichtigste Aspekt effizienter Monte Carlo-Algorithmen, neben Importance Sampling und dem Entfernen von Rauschen und Ausreißern, ist das Generieren von Abtastpunkten für die numerische Integration, die es erlauben, den wahrgenommenen Integrationsfehler in berechneten Bildern zu reduzieren. Letzteres ist Gegenstand dieses Projekts, das weit über die bekannten Ansätze zur Stratifikation oder Niederdiskrepanz-Folgen hinausgehen und neue Ansätze untersuchen soll, die besser für Echtzeit-Raytracing-Verfahren geeignet sind. Da im Gegensatz zu Offline-Verfahren keine Konvergenz der Monte Carlo-Integration eines jeden Pixels für sich angestrebt werden kann, ist eine gute Verteilung der Abtastpunkte über alle Integrationsdimensionen in einer lokalen Pixel-Nachbarschaft und die Reduktion der niederfrequenten Komponenten des Fehlers im Bildraum von entscheidender Bedeutung. Dies erlaubt auch bestmögliche Varianzreduktion und geringen systematischen Fehler, wenn abschließend Filter zur Rauschentfernung eingesetzt werden. Die Notwendigkeit guter Verteilungen bei gleichzeitig niedrigerer Dimensionalität motiviert die Vorberechnung von Abtastpunkten, die aufgrund der variablen und hohen Pfadlänge bei Offline-Bildsyntheseverfahren wenig attraktiv ist.Die komplexen Zusammenhänge zwischen der Verteilung der Abtastpunkte und dem Frequenzspektrum des Fehlers im Bildraum sollen untersucht werden. Hierzu soll das Verhalten realistischer Integranden analysiert und modelliert werden. In mäßig-hochdimensionalen Fällen kann dies zunächst durch instrumentalisierte Raytracing-Programme mittels dichter Abtastung des Integranden und diskreter Fourier-Transformationen geschehen. Visualisierungen der resultierenden Spektren liefern Erkenntnisse über die Beschaffenheit realistischer Integranden und helfen generische Modelle zu gewinnen, die später keine Abtastung von konkreten 3D-Szenen mehr erfordern. Mit der Vorhersage des Spektrums des Fehlers im Bildraum zu einer gegebenen Verteilung von Abtastpunkten lassen sich, durch Optimierung des Spektrums der Abtastpunkte, dann gezielt die Frequenzanteile des Fehlers abschwächen, die störend wahrgenommen werden und sich auch durch anschließende Filterung nicht gut beseitigen lassen. Optimierungsansätze für Abtastpunkte gemäß dieser Spektren sind ebenfalls Teil des Projekts. Ziel ist es, diese kostspielige Vorberechnung nur einmalig für eine Klasse von Integranden durchzuführen und zur Laufzeit lediglich vorberechnete Abtastpunkte aus kachelbaren Texturen auslesen zu müssen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen